Kırk yıl önce Frank Wilczek, yalnızca düz bir evrende yaşayabilecek tuhaf bir parçacık türü üzerinde kafa yordu. Wilczek, kalemi kağıda döküp hesaplamaları yapmış olsaydı, o zamanlar teorik olan bu parçacıkların, herhangi bir müdahalenin onu semeyeceği kadar, gerçekliğin dokusuna iyice örülmüş, geçmişlerine ait uhrevi bir hatırayı barındırdığını keşfedecekti.

Bununla birlikte, doğanın bu tür garip yaratıkların varlığına izin vermesi için hiçbir neden görmediğinden, geleceğin Nobel ödüllü fizikçisi, işbirlikçisi olan ünlü bir teorik fizikçi olan Anthony Zee'nin itirazlarına rağmen, düşünce deneylerini en tuhaf sonuçlarına kadar takip etmemeyi seçti. Kaliforniya Üniversitesi, Santa Barbara.

"Hadi Tony, insanlar bizimle dalga geçecek" dedim. Wilczek, şimdi Massachusetts Institute of Technology'de profesör.

Diğerleri o kadar isteksiz değildi. Araştırmacılar, değişmeli olmayan anyonların şifreli lakabıyla anılan parçacık benzeri nesneleri yakalayıp evcilleştirmek için son otuz yılda milyonlarca dolar harcadı.

Şimdi iki önemli deney sonunda başarılı oldu ve kimse gülmüyor. Wilczek, "Bu bir hedefti ve şimdi vuruldu," dedi.

Quantinuum şirketi ile çalışan fizikçiler bugün yaptığı açıklamada, için şirketin yeni piyasaya sürülen yeni nesil H2 işlemcisini kullandıklarını değişmeli olmayan anyonları sentezleyin ve değiştirin kuantum maddesinin yeni bir aşamasında. Onların işi takip ediyor ön baskı Google'daki araştırmacıların, değişmeli olmayan nesnelerin ilk net iç içe geçmesini kutladıkları geçen sonbaharda yayınlandı; bu, bilgilerin ortak belleklerinde saklanabileceğine ve değiştirilebileceğine dair bir kavram kanıtı. Deneyler birlikte, kuantum cihazlarının büyüyen gücünü esnetirken, bilgi işlemin geleceğine dair potansiyel bir bakış sunar: Abelian olmayan anyonlar, uzay ve zaman içindeki yolculuklarının neredeyse yok edilemez kayıtlarını tutarak, hataya dayanıklı yapılar oluşturmak için en umut verici platformu sunabilir. kuantum bilgisayarlar.

"Saf bilim olarak, sadece, vay," dedi Ady Sternİsrail'deki Weizmann Bilim Enstitüsü'nde kariyerini nesneleri inceleyerek geçirmiş bir yoğun madde teorisyeni. "Bu sizi [topolojik kuantum hesaplamaya] yaklaştırıyor. Ancak son birkaç on yılın bize gösterdiği bir şey varsa, o da uzun ve dolambaçlı bir yoldur."

Flatland Hesaplama

1982'de Wilczek, fizikçilerin zihinlerini iki boyutta var olabilecek parçacıklar yelpazesine açmaya yardımcı oldu. Kuantum yasalarını varsayımsal, tamamen düz bir evrenle sınırlamanın sonuçlarını hesapladı ve bunun kesirli spinleri ve yükleri olan tuhaf parçacıklar içereceğini buldu. Dahası, başka türlü ayırt edilemeyen parçacıkların yer değiştirmesi, onları üç boyutlu benzerleri için imkansız olan şekillerde değiştirebilir. Wilczek küstahça adlandırılmış bu iki boyutlu parçacıklar, neredeyse her şeyi yapabilecek gibi göründükleri için.

Wilczek en basit "abelian" anyonlara, değiştirildiğinde doğrudan algılanamayan ince şekillerde değişen parçacıklara odaklandı.

Vahşi seçeneği - değişmeli olmayan anyonlar, bir hafızayı paylaşan parçacıklar - keşfetmekten vazgeçti. İki değişmeli olmayan anyonun konumlarını değiştirmek, doğrudan gözlemlenebilir bir etki yaratır. Bir sistemin kuantum doğasını tanımlayan bir miktar olan paylaşılan dalga fonksiyonunun durumunu değiştirir. İki özdeş abelian olmayan anyona rastlarsanız, hangi durumda olduklarını ölçerek, bunların her zaman bu konumlarda mı olduklarını veya yolları kesişip kesişmediğini anlayabilirsiniz - başka hiçbir parçacığın iddia edemeyeceği bir güç.

Wilczek'e göre bu kavram, resmi bir teoriye dönüşemeyecek kadar fantastik görünüyordu. "Maddenin ne tür halleri bunları destekliyor?" düşündüğünü hatırladı.

Ancak 1991'de iki fizikçi bu devletleri tanımladı. Yeterince güçlü manyetik alanlara ve yeterince soğuk sıcaklıklara maruz kaldıklarında, bir yüzeye yapışmış elektronların, değişmeli olmayan anyonlar oluşturmak için doğru şekilde birlikte girdap yapacaklarını tahmin ettiler. Anyonlar temel parçacıklar olmayacaktı - 3B dünyamız bunu yasaklıyor - ama "yarı parçacıklar” Bunlar parçacık koleksiyonlarıdır, ancak en iyi şekilde bireysel birimler olarak düşünülürler. Tıpkı su moleküllerinin dalgalar ve girdaplar oluşturması gibi, kuasipartiküller de kesin konumlara ve davranışlara sahiptir.

1997 yılında California Institute of Technology'de teorisyen olan Alexei Kitaev, işaret bu tür yarı parçacıklar, kuantum bilgisayarları için mükemmel bir temel oluşturabilir. Fizikçilerin, tipik bilgisayarların ve ikili bitlerinin ulaşamayacağı hesaplamalar yapmak için kuantum dünyasını kullanma olasılığı karşısında uzun süredir tükürük salgılıyorlar. Ancak kuantum bilgisayarların atom benzeri yapı taşları olan kübitler kırılgandır. Dalga fonksiyonları en hafif dokunuşta çökerek hafızalarını ve kuantum hesaplamalarını yapma yeteneklerini siliyor. Bu dayanıksızlık, kübitleri uzun hesaplamaları bitirmelerine yetecek kadar uzun süre kontrol etme konusunda karmaşık hırslara sahip.

Kitaev, değişmeli olmayan anyonların ortak hafızasının ideal bir kübit işlevi görebileceğini fark etti. Yeni başlayanlar için, dövülebilirdi. "Örgü" olarak bilinen bir şekilde anyonların konumlarını değiştirerek, sıfırı bire çevirerek kübitin durumunu değiştirebilirsiniz.

Qubit'in durumunu da okuyabilirsiniz. En basit değişmeli olmayan anyonlar bir araya getirildiğinde ve örneğin "kaynaştığında", yalnızca örülmüşlerse başka bir yarı parçacık yayarlar. Bu yarı parçacık, uzay ve zaman boyunca çapraz yolculuklarının fiziksel bir kaydı olarak hizmet ediyor.

Ve en önemlisi, hafıza neredeyse bozulmaz. Anyonlar birbirinden uzak tutulduğu sürece, herhangi bir parçacığı dürtmek, çiftin içinde bulunduğu durumu - ister sıfır ister bir olsun - değiştirmez. Bu şekilde, kolektif hafızaları, evrenin kakofonisinden etkili bir şekilde kesilir.

"Burası bilgileri saklamak için mükemmel bir yer olurdu," dedi Maissam Barkeşli, Maryland Üniversitesi'nde yoğun madde teorisyeni.

Asi Elektronlar

Kitaev'in önerisi, örgülerin topolojisine dayandığı için "topolojik" kuantum hesaplama olarak bilinmeye başlandı. Terim, örgünün yollarının belirli bir deformasyonundan etkilenmeyen geniş özelliklerini (örneğin, dönüş sayısı) ifade eder. Çoğu araştırmacı artık örgülerin şu ya da bu şekilde kuantum hesaplamanın geleceği olduğuna inanıyor. Örneğin Microsoft, elektronları doğrudan değişmeli olmayan anyonlar oluşturmaya ikna etmeye çalışan araştırmacılara sahiptir. Şirket şimdiden - yeterince soğuk sıcaklıklarda - uçlarında en basit örülebilir yarı parçacık türlerini barındırması gereken küçük teller inşa etmek için milyonlarca dolar yatırım yaptı. Beklenti, bu düşük sıcaklıklarda elektronların doğal olarak bir araya gelerek güvenilir kübitlere dönüştürülebilecek anyonları oluşturmasıdır.

On yıllık bir çabadan sonra, bu araştırmacılar hala kanıtlamak için mücadele yaklaşımlarının işe yarayacağını. 2018'de, "Majorana sıfır modları" olarak bilinen en basit değişmeli olmayan yarı parçacığı nihayet tespit ettiklerine dair gösterişli bir iddiayı, 2021'de benzer şekilde yüksek profilli bir geri çekilme izledi. 2022 ön baskı, ancak birkaç bağımsız araştırmacı yakında başarılı bir örgü görmeyi bekliyor.

Elektronları değişmeli olmayan anyonlara dönüştürmeye yönelik benzer çabalar da durdu. Nokia Bell Laboratuarlarından Bob Willett, muhtemelen en yakın olan galyum arsenit içinde elektronları toplama girişimlerinde, burada umut verici ama ince işaretler örgü mevcuttur. Ancak veriler dağınıktır ve ultra soğuk sıcaklık, ultra saf malzemeler ve ultra güçlü manyetik alanlar, deneyi tekrarlamayı zorlaştırır.

"Hiçbir şey gözlemlememenin uzun bir tarihi var" dedi Eun Ah Kim Cornell Üniversitesi'nden.

Bununla birlikte, elektronları karıştırmak, değişmeli olmayan kuasipartiküller yapmanın tek yolu değildir.

Bir yüksek lisans öğrencisi olarak herhangi birini tespit etmenin yollarını bulmak için yıllarını harcayan ve şimdi Google ile işbirliği yapan Kim, "Tüm bunlardan vazgeçmiştim," dedi. "Ardından kuantum simülatörleri geldi."

Uyumlu Qubit'ler

Kuantum işlemciler, herhangi biri için avlanmayı değiştiriyor. Son yıllarda araştırmacılar, elektron sürülerini hizaya getirmeye çalışmak yerine, bireysel kübitleri kendi isteklerine göre bükmek için cihazları kullanmaya başladılar. Bazı fizikçiler bu çabaları simülasyon olarak kabul eder, çünkü işlemcinin içindeki kübitler parçacıkların soyutlamalarıdır (fiziksel yapıları laboratuvardan laboratuvara değişirken, onları bir eksen etrafında dönen parçacıklar olarak görselleştirebilirsiniz). Ancak kübitlerin kuantum doğası gerçektir, bu nedenle - simülasyon olsun ya da olmasın - işlemciler topolojik deneyler için oyun alanları haline geldi.

Sahaya “yeni bir soluk getiriyor” dedi Fiona BurnellMinnesota Üniversitesi'nde yoğun madde teorisyeni, "çünkü katı hal sistemleri yapmak çok zordu."

Kuantum işlemcilerde anyonları sentezlemek, Kitaev'in örgülerinin gücünden yararlanmanın alternatif bir yoludur: Qubit'lerinizin vasat olduğunu kabul edin ve hatalarını düzeltin. Günümüzün kalitesiz kübitleri çok uzun süre çalışmıyor, bu nedenle onlardan inşa edilenlerin de kısa ömürleri olacaktır. Hayal, kübit gruplarını hızlı ve tekrar tekrar ölçmek ve ortaya çıktıkça hataları düzeltmek, böylece anyonların ömrünü uzatmak. Ölçüm, bireysel bir kübitin kuantum bilgisini, dalga işlevini çökerterek ve onu klasik bir bit'e dönüştürerek siler. Bu burada da olacaktı, ancak önemli bilgiler dokunulmaz kalacaktı - birçok kişinin kolektif durumunda saklı kalacaktı. Bu şekilde Google ve diğer şirketler, (düşük sıcaklıkların aksine) hızlı ölçümler ve hızlı düzeltmelerle kübitleri desteklemeyi umuyor.

"Kitaev'den beri," dedi Mike ZaletelBerkeley'deki California Üniversitesi'nden yoğun madde fizikçisi, "insanlar kuantum hata düzeltmesinin muhtemelen işe yarayacağını bu şekilde düşünüyor."

Google aldı büyük bir adım 2021 baharında, araştırmacılar yaklaşık iki düzine kübiti, torik kod olarak bilinen maddenin bir fazı olan kuantum hata düzeltmesi yapabilen en basit ızgarada bir araya getirdiklerinde kuantum hata düzeltmesine doğru.

Google'ın işlemcisinde torik kodu oluşturmak, her kübiti mikrodalga darbeleriyle hafifçe dürterek komşularıyla sıkı bir şekilde işbirliği yapmaya zorlamak anlamına gelir. Ölçülmeden bırakıldığında, bir kübit, birçok olası yönün üst üste binmesine işaret eder. Google'ın işlemcisi, her kübitin dönme eksenini dört komşusuyla belirli şekillerde koordine etmesini sağlayarak bu seçenekleri etkili bir şekilde azalttı. Torik kod, kuantum hata düzeltmesi için kullanılabilecek topolojik özelliklere sahip olsa da, doğal olarak değişmeli olmayan kuasipartikülleri barındırmaz. Bunun için Google garip bir numaraya başvurmak zorunda kaldı. uzun zamandır bilinen teorisyenlere göre: "bükülme kusurları" olarak adlandırılan kübit ızgarasındaki belirli kusurlar, değişmeli olmayan büyü elde edebilir.

Geçen sonbaharda, Cornell'de bir teorisyen olan Kim ve Yuri Lensky, Google araştırmacılarıyla birlikte bir tarif yayınladılar. kolayca yapmak ve torik koddaki örgü kusur çiftleri. Kısa süre sonra yayınlanan bir ön baskıda, Google'daki deneyciler uygulandığı bildirildi komşu kübitler arasındaki bağlantıların kesilmesini içeren bu fikir. Kübit ızgarasında ortaya çıkan kusurlar, değişmeli olmayan yarı parçacığın en basit türü olan Microsoft'un Majorana sıfır modları gibi davrandı.

"İlk tepkim 'Vay canına, Google Microsoft'un oluşturmaya çalıştığı şeyi simüle etti. Gerçek bir esneme anıydı” dedi Tyler Ellison, Yale Üniversitesi'nde bir fizikçi.

Araştırmacılar hangi bağlantıları kestiklerini değiştirerek deformasyonları hareket ettirebilirler. İki çift değişmeli olmayan kusur yaptılar ve onları beşe beş kübitlik bir satranç tahtasının etrafında kaydırarak zar zor bir örgü oluşturdular. Araştırmacılar, yayınlanmak üzere hazırlanan deneyleri hakkında yorum yapmaktan kaçındı, ancak diğer uzmanlar başarıyı övdü.

Ellison, "Çalışmalarımın çoğunda benzer görünümlü resimler çiziyorum" dedi. "Bunu gerçekten gösterdiklerini görmek inanılmaz."

Ölçüye Göre Boya

Bu arada, liderliğindeki bir grup teorisyen Ashvin Vishwanath Harvard Üniversitesi'nde sessizce, pek çok kişinin daha da yüce bir hedef olarak gördüğü bir hedefin peşinden gidiyordu: kusurların tersine, gerçek değişmeli olmayan anyonların maddenin bozulmamış bir aşamasında doğal olarak ortaya çıktığı daha karmaşık bir kuantum maddesi aşaması yaratmak. Her iki çabaya da dahil olmayan Burnell, "[Google'ın] kusuru, bir tür abelian olmayan bir şey," dedi.

Her iki türdeki anyonlar, ince ince ipliklerden oluşan girift duvar halılarıyla tanımlanan topolojik bir yapıya sahip maddenin fazlarında yaşarlar. dolaşıklık. Dolaşık parçacıklar koordineli bir şekilde davranırlar ve trilyonlarca parçacık birbirine karıştığında, bazen şuna benzetilen karmaşık aşamalarda dalgalanabilirler: danslar. Topolojik düzene sahip aşamalarda, dolaşıklık, parçacıkları hizalı dönüşlerden oluşan döngüler halinde düzenler. Bir döngü kesildiğinde, her uç bir anyondur.

Topolojik düzen iki şekilde gelir. Torik kod gibi basit fazlar "değişmeli düzene" sahiptir. Orada, gevşek uçlar değişmeli anyonlardır. Ancak gerçek abelian olmayan anyonları arayan araştırmacılar, abelian olmayan düzene sahip tamamen farklı ve çok daha karmaşık bir duvar halısına dikilmiş durumdalar.

Vishwanath'ın grubu bir yemek pişirmeye yardım etti. değişmeli düzende faz Daha ileri gitmeyi hayal ettiler, ancak kübitleri değişmeli olmayan dolaşıklık modellerine dikmek, günümüzün kararsız işlemcileri için fazla karmaşıktı. Ekip, yeni fikirler için literatürü taradı.

Bir ipucu buldular çift of kâğıtlar onlarca yıl öncesinden. Kuantum cihazlarının çoğu, dikiş yerlerinden hiçbir dolgunun dışarı fırlamadığı nazik bir şekilde, bir yastığı kabartır gibi kübitlerine masaj yaparak hesaplama yapar. Bu "üniter" işlemler yoluyla dikkatli bir şekilde dolaşıklık örmek zaman alır. Ancak 2000'lerin başında, şu anda British Columbia Üniversitesi'nde fizikçi olan Robert Raussendorf kestirme bir yol buldu. İşin sırrı, normalde kuantum hallerini öldüren süreç olan ölçümü kullanarak dalga fonksiyonunun parçalarını kesmekti.

“Gerçekten şiddetli bir operasyon” dedi Ruben Verresen, Vishwanath'ın Harvard'daki işbirlikçilerinden biri.

Raussendorf ve işbirlikçileri, belirli kübitler üzerindeki seçici ölçümlerin nasıl dolaşık olmayan bir durumu alıp kasıtlı olarak dolaşık bir duruma getirebileceğini detaylandırdı; bu, Verresen'in bir heykel yapmak için mermeri kesmeye benzettiği bir süreç.

Tekniğin başlangıçta araştırmacıların değişmeli olmayan aşamalar yapma girişimlerini mahkûm eden karanlık bir tarafı vardı: Ölçüm rastgele sonuçlar üretir. Teorisyenler belirli bir aşamayı hedeflediklerinde, ölçümler, sanki araştırmacılar Mona Lisa'yı bir tuvale boya sıçratarak boyamaya çalışıyorlarmış gibi, abelian olmayan anyonları rastgele benekler halinde bıraktı. Verresen, "Tam bir baş ağrısı gibiydi.

2021'in sonlarına doğru, Vishwanath'ın grubu bir çözüm buldu: çoklu ölçüm turlarıyla bir kübit ızgarasının dalga işlevini şekillendirmek. İlk turda, maddenin sıkıcı bir evresini basit bir değişmeli evreye dönüştürdüler. Daha sonra bu aşamayı ikinci bir ölçüm turuna aktardılar ve daha da karmaşık bir aşamaya doğru yonttular. Bu topolojik kedi beşiği oyununu oynayarak, adım adım ilerlerken rastgeleliği ele alabileceklerini ve ulaşmak için giderek daha karmaşık aşamalardan oluşan bir merdiveni tırmanabileceklerini fark ettiler. değişmeli düzene sahip bir faz.

Verresen, "Rastgele ölçümler yapmak ve ne elde ettiğinizi görmek yerine, maddenin fazları manzarasında zıplamak istiyorsunuz" dedi. Teorisyenlerin yakın zamanda sahip olduğu topolojik bir manzara. anlamaya başladı.

Geçen yaz grup, teorilerini, anında ölçüm yapabilen tek kuantum cihazlarından biri olan Quantinuum'un H1 hapsolmuş iyon işlemcisinde test etti. Google grubu gibi, onlar da değişmeli torik kodu yaptı ve değişmeli olmayan kusurlarını ördü. Abelian olmayan bir aşamayı denediler ama oraya sadece 20 kübit ile ulaşamadılar.

Ama sonra Quantinuum'da bir araştırmacı olan Henrik Dreyer, Verresen'i kenara çekti. Bir gizlilik anlaşmasıyla ona gizlilik yemini ettikten sonra, Verresen'e şirketin ikinci nesil bir cihazı olduğunu söyledi. En önemlisi, H2'nin 32 kübiti vardı. Önemli bir sonlandırma çalışması gerekti, ancak ekip bu kübitlerin 27'sinde en basit değişmeli olmayan fazı kurmayı başardı. Vishwanath, "Bir veya iki daha az kübitimiz olsaydı, bunu başarabileceğimizi sanmıyorum," dedi.

Deneyleri, maddenin değişmeyen bir fazının ilk tartışılmaz tespitini işaret ediyordu. Burnell, "Abelian olmayan bir topolojik düzen gerçekleştirmek, insanların uzun süredir yapmak istediği bir şeydi" dedi. "Bu kesinlikle önemli bir dönüm noktası."

Çalışmaları, üç çift değişmeli olmayan anyonun, uzay ve zaman içindeki yörüngeleri, değişmeli olmayan anyonların ilk örgüsü olan Borromean halkaları olarak bilinen bir model oluşturacak şekilde örülmesiyle sonuçlandı. Üç Borromean halkası birlikte olduklarında ayrılmazlar, ancak birini keserseniz diğer ikisi parçalanır.

Wilczek, "Bir tür gee-whiz faktörü var," dedi. "Bu kuantum nesnelerini üretmek, kuantum dünyasının muazzam kontrolünü gerektiriyor."

The Big Chill

Diğer fizikçiler bu kilometre taşlarını kutlarken, Google ve Quantinuum'un Microsoft ve Willett gibilerinden farklı bir yarışta olduklarını da vurguluyorlar. Bir kuantum işlemcide topolojik fazlar oluşturmak, birkaç düzine su molekülünü istifleyerek dünyanın en küçük buz küpünü yapmak gibidir - etkileyici, diyorlar, ancak bir buz levhasının doğal olarak oluşmasını izlemek kadar tatmin edici değil.

"Temel matematik son derece güzel ve bunu doğrulayabilmek kesinlikle zahmete değer" dedi. Çetan Nayak, değişmeli olmayan sistemler üzerinde öncü çalışmalar yapan Microsoft'ta bir araştırmacı. Ancak kendi adına, bir sistemin soğuduğunda kendi başına bu tür karmaşık dolaşma modeline sahip bir duruma yerleştiğini görmeyi umduğunu söyledi.

Barkeshli, "Bu, [Willett'in deneylerinde] açık bir şekilde görülseydi, aklımız uçardı," dedi. Onu bir kuantum işlemcide görmek "harika ama kimse şaşırmıyor."

Barkeshli'ye göre bu deneylerin en heyecan verici yönü, kuantum hesaplaması için önemi: Araştırmacılar, Kitaev'in ilk önerisinden 26 yıl sonra nihayet gerekli malzemeleri yapabileceklerini gösterdiler. Şimdi onları gerçekten nasıl çalıştıracaklarını bulmaları gerekiyor.

Bir engel, Pokémon gibi, herhangi birinin her birinin kendi güçlü ve zayıf yönleri olan çok sayıda farklı türden gelmesidir. Örneğin bazılarının geçmişlerine dair daha zengin anıları var ve bu da örgülerini hesaplama açısından daha güçlü kılıyor. Ancak onları varoluşa ikna etmek daha zordur. Herhangi bir spesifik şema, çoğu henüz anlaşılmamış olan bu tür değiş tokuşları tartmak zorunda kalacaktır.

Vishwanath, "Artık farklı türde topolojik düzen oluşturma yeteneğine sahip olduğumuza göre, bu şeyler gerçek oluyor ve bu değiş tokuşlar hakkında daha somut terimlerle konuşabilirsiniz" dedi.

Bir sonraki dönüm noktası, ne Google'ın ne de Quantinuum'un denemediği gerçek hata düzeltme olacaktır. Örgülü kübitleri gizliydi ama korunmamıştı, bu da kübitlerin altında yatan köhnelerin ölçülmesini ve hatalarının gerçek zamanlı olarak hızla düzeltilmesini gerektirecekti. Bu gösteri, kuantum hesaplamada bir dönüm noktası olurdu, ancak yıllar sonra - eğer mümkünse.

O zamana kadar iyimserler, bu son deneylerin daha gelişmiş kuantum bilgisayarların değişmeli olmayan kuasipartiküller üzerinde daha iyi bir komuta yol açacağı bir döngü başlatacağını ve bu kontrolün de fizikçilerin daha yetenekli kuantum cihazları geliştirmesine yardımcı olacağını umuyor.

Wilczek, "Sadece ölçümün gücünü ortaya çıkarmak," dedi, "bu, ezber bozabilecek bir şey."